淺論乳糖功能研發應用

文/張麗娜 周 鵬

（江南大學食品學院）

乳糖是乳制品中重要的碳水化合物，也是奶粉中最重要的能量來源之一。但是由于遺傳的原因，許多人對乳糖的消化能力不足，產生了乳糖不耐等癥狀。因此，充分了解乳糖的性質和人類對乳糖的消化吸收機理，對乳制品開發、乳糖功效的發揮以及乳糖副作用的避免至關重要。

乳糖是一種結構明確的化合物，其甜度約為白砂糖的20．0%，由一分子葡萄糖和一分子半乳糖通過β-1，4位形成糖苷鍵組成的雙分子糖。它存在于所有已知的哺乳動物乳汁中，是乳汁中最主要、含量最高的碳水化合物。在母乳中，乳糖的濃度約為70 g/L，約占乳汁提供能量的40．0%[1]。

世界衛生組織推薦使用全母乳喂養嬰兒直到6 月齡，并建議持續喂養母乳到24 月齡。由于乳糖具有重要的生理功能，被廣泛用作食品醫藥原料[2]。目前商用乳糖主要是通過結晶，從生產芝士和酪蛋白的副產物乳清蛋白中提取，具有價格便宜，性質穩定，安全性高以及低吸濕性等特點。全球每年乳糖產量達600 萬噸[3]。

1 乳糖的性質

由于乳糖是由β-D-半乳糖和α/β-D-葡萄糖結合形成的雙糖，因此，根據葡萄糖分子C1位H原子和OH基團的位置不同，乳糖具有α-乳糖和β-乳糖兩種構型[4]。

α-乳糖易于結合一分子結晶水，形成一水α-乳糖（α-lactose monohydrate），β-乳糖則為無水乳糖（Anhydrous β-lactose）。當結晶工藝溫度在高溫下進行時（＞93．5 ℃），β-乳糖含量較高，當結晶過程在接近室溫的條件下進行時，α-乳糖占據主要部分[5]，兩者的物理與化學性質差異見表1。

兩種構型的乳糖在溶于水后會發生轉換（圖1），最終達到動態平衡。水溶液中，α-乳糖與β-乳糖的比例受到溫度、濃度、pH值和其他物質的影響[6]，在20．0 ℃時，乳糖溶液中α-乳糖含量為37．3%，β-乳糖的含量為62．7%，溶液平衡后的旋光角度為+55．3°。在實際操作中，可以通過添加鹽、蔗糖等物質影響溶液中乳糖的旋光角度以及溶解度。

表1 兩種構型乳糖物理與化學性質比較

圖1 α-乳糖與β-乳糖的轉化

在醫藥產品的應用中，美國、歐洲和日本的藥典均沒有對乳糖異構性進行要求[6，7]，但美國和日本要求標識無水乳糖的異構純度。目前并無研究表明乳糖的兩種不同構型會影響其功能與作用。

在我國，依據《GB 25595—2010 食品安全國家標準 乳糖》規定，嬰幼兒配方奶粉中的乳糖須為乳清中提取的碳水化合物，以無水或一分子結晶水的形式存在，或混合存在。

目前工業上應用的乳糖主要來源于牛乳清，隨著山羊乳產業近幾年不斷發展，來源于山羊乳清的乳糖也逐漸問世。同時也出現了關于牛、羊乳糖差異性的爭議，但是通過高效液相色譜和紅外光譜方法檢測結果發現，牛乳糖與山羊乳糖的液相保留時間和紅外光譜圖均呈現出一致性（表2、圖2），表明牛乳糖與山羊乳糖具有相同的化學結構及組成，且兩者的性質無差異。

2 乳糖的制備

在奶酪的生產過程中，經凝乳酶沉淀除去酪蛋白后會得到大量的副產物——乳清溶液，而乳糖則從乳清中提取而來，通常其生產提取過程見圖3。

乳糖生產過程包括結核、晶體生長和結晶3 個步驟。

2．1 結核

此步驟是結晶過程的起始，乳糖分子首先形成一個聚集核，在實際生產過程中，該聚集核可以是額外添加的乳糖結晶。

表2 牛乳糖與羊乳糖的高效液相保留時間

圖2 牛乳糖（左）與山羊乳糖（右）紅外光譜圖

圖3 乳糖的制備工藝過程

2．2 晶體生長

乳糖分子在飽和壓力的驅動下圍繞聚集核聚集增大。

2．3 結晶

結晶是許多小的結晶融合形成大的晶體的過程。結晶過程的快慢主要由結晶劑、結晶工藝、雜質等因素影響[6]。例如當乳清分離蛋白（WPI）與乳糖混合后，可以降低乳糖的結晶程度。

3 乳糖的應用

除了作為奶粉的重要能量來源外，在酸奶生產中，乳糖也作為發酵底物，被乳酸菌利用后，產生乳酸。研究發現，乳糖的濃度對發酵酸奶的性質有重要影響，蛋白質發酵后其持水力隨著乳糖濃度的升高而升高，而膠著性和彈性則呈現先增加后減小的趨勢[8]。對比無乳糖酸奶與普通發酵酸奶，無乳糖發酵酸奶酸度增加速率快，黏度增加幅度大，活菌數高；在貯藏過程中，無乳糖酸奶中活菌數的下降速率略快于普通酸奶，體現了乳糖對穩定酸奶性質的重要作用[9]。

乳糖作為一種還原性糖，在奶粉的生產加工過程中可以和蛋白質、肽段或氨基酸等氨基化合物在加熱條件下發生美拉德反應，從而賦予食品焦糖色或褐色以及獨特香氣，該技術廣泛應用于威化餅、烘焙食品、調味料產品的生產[10]。但是，美拉德反應也會改變蛋白質的性質，影響其消化性[11]，美拉德反應的有害產物主要受pH值、溫度和反應程度的影響[12]，因此，在食品生產中，工藝控制起著重要作用。

乳糖也是一種常見的制藥輔料，可用于固體藥劑中，常作為填充劑和黏合劑，不僅可以使藥劑更易流動，而且能夠在生產片劑時起到黏合的作用[13]。

此外，乳糖還可作為原料，經修飾后轉化為乳糖醇（4-β-D吡喃半乳糖-D-山梨醇）、乳糖酸、乳果糖、乳糖蔗糖和低聚半乳糖[14]等食品配料。其中，乳糖醇是一種改性食品添加劑，由乳糖催化，加壓、加氫后過濾，經脫色、離子交換、濃縮、結晶制得，被廣泛地應用在無糖食品中，適用于糖尿病人[15]。

4 乳糖的生理功能

乳糖是維持嬰幼兒生長的重要能量物質，按照《GB 10765—2010食品安全國家標準 嬰兒配方食品》要求，嬰兒配方奶粉中乳糖應占總碳水化合物的90．0%以上。這是由于乳糖對嬰幼兒生長發育有著重要作用。對斷奶期豬幼崽研究發現，增加飲食中乳糖含量可以促進其飲食量和體重增長，另外乳糖還可能有助于提高食物到體重的轉化率[16，17]。乳糖進入人體后主要在小腸中被乳糖酶分解為葡萄糖和半乳糖，從而被小腸吸收。乳糖不僅為人體提供能量，還能與礦物質一起維持乳汁中的滲透壓[18]，母乳中的滲透壓約為286 mOsm/kg[19]，研究發現，嬰幼兒配方奶粉的滲透壓隨著乳糖濃度增加而升高，且呈線性相關[20]。目前對于嬰幼兒配方奶粉的滲透壓沒有強制性標準，根據英國嬰兒飲食協會推薦，嬰幼兒配方奶粉滲透壓應小于400 mOsm/kg[21]。

乳糖的升血糖指數（Glycemic Index，GI）為46，小于55，屬于低GI食物，可以用于血糖敏感人群；乳糖的致齲齒性也低于蔗糖，這可能是由于口腔中的變形鏈球菌利用乳糖產酸的速度比較慢[22]；乳糖還具有類似膳食纖維的作用，發揮益生元的功效，即當乳糖在人體小腸中不能被充分消化時，剩余的乳糖會進入結腸，充當腸道菌群的底物，有利于雙歧桿菌和乳桿菌的生長[23]，同時產生短鏈脂肪酸。乳糖在被分解為半乳糖后，是低聚糖的重要組成成分，并可以通過半乳糖基化成為糖蛋白和糖脂，在人體發育過程中發揮重要功能[24]。

乳糖還具有免疫功能，Andreas Cederlund等[25]發現，人類母乳可以誘導上皮細胞和單核細胞中抗菌肽（CAMP）的表達，從而增強嬰兒的免疫力，這主要是在有絲分裂原活化蛋白激酶p38與N末端激酶JNK介導下，乳糖與丁酸酯或苯基丁酸酯協同增強了CAMP的基因表達。

另外，乳糖還可以促進嬰兒對礦物質（鈣、鎂等）的吸收[26]，其機制可能在于乳糖分解后引起pH值降低，從而增加了鈣和其他礦物質的溶解性。在一項足月嬰兒喂養調查中發現，喝含乳糖的嬰幼兒配方奶粉的嬰兒，其鈣、鎂、錳吸收率都顯著地高于喝不含乳糖的嬰幼兒配方奶粉的嬰兒，但鋅的吸收率不受乳糖的影響[27]。

5 乳糖不耐癥

雖然乳糖對人體有重要的營養作用，但是其必須在小腸內被消化吸收。由于部分人無法消化乳糖，乳糖進入到大腸后，會引起乳糖不耐癥。乳糖不耐癥通常是由于部分人體消化系統中缺少一種可以將乳糖分解為半乳糖和葡萄糖的酶——乳糖酶。嬰幼兒通常能夠分泌這種酶，但是斷奶后，這種酶在人體內的分泌逐漸減少，從而引起成人乳糖不耐癥。有趣的是，在部分成人體內，還可以檢測到乳糖酶的存在，這種保存的機制主要產生于乳糖酶LCT基因的多態性，在LCT基因上游13，910堿基處，存在LCT-13910 C/T（rs4988235），T等位基因是能使乳糖酶持久表達的等位基因，而C等位基因是乳糖酶非持久性表達的等位基因，當個體是CC純合子時無法消化乳糖，而TC或TT的個體能夠消化乳糖[28]。由于部分人體小腸缺乏足夠的乳糖酶，乳糖進入到大腸后，被大腸內的腸道菌群發酵代謝為葡萄糖和半乳糖，這些糖進而被發酵產生短鏈脂肪酸（如乙酸）、氫氣和二氧化碳等，這些氣體可引起打嗝，而短鏈脂肪酸則迅速升高腸道滲透壓，引起腹瀉、腹痛等癥狀[29]。乳糖不耐癥是碳水化合物消化吸收中最常見的問題，據報道，在亞洲有70．0%以上的人群受到乳糖不耐癥的困擾[30]，而在丹麥這一比例僅為6．1%[28]。

6 小結

乳糖主要由乳清蛋白分離而來，由于生產工藝的差異，乳糖的結構有α-乳糖和β-乳糖的兩種構型。這兩種構型與乳糖的來源無關，且不會對乳糖的功能產生影響。作為一種重要的能量來源，尤其是對于以母乳為唯一營養來源的嬰幼兒，乳糖對于其生長發育起著正常作用，同時，乳糖也有助于礦物質的吸收，促進腸道中有益菌群的增殖。對于亞洲人，由于大部分人都存在乳糖不耐的癥狀，乳糖的攝入會減少，這可能會引起鈣吸收不足，骨質疏松等癥狀，因此，需要通過不同的飲食策略緩解乳糖不耐癥。